Производство яблочного спирта на различных установках

Производство яблочного спирта на различных установках

П.П.ЛЮБЧЕНКОВ

Научно-техническая фирма «ВАНД» (Краснодар)

Н.П.РЯБЧЕНКО

Кубанский государственный технологический университет

Производство качественного кальвадоса и бренди из плодов в большей степени определяется особенностями процесса сброженных плодовых соков на спирт. Пока специального оборудования для этой цели в отрасли нет.

Яблочный спирт в основном получают на коньячных перегонных установках КУ-500, К-5М, ВАНД-0,2 и др., причем процесс перегонки регламентируют Правилами и приемами коньячного производства без учета особенностей перерабатываемого сырья и требований, предъявляемых к готовому продукту.

Высококачественный яблочный спирт дает кондиционное сырье с определенным химическим составом, согласно действующим ГОСТ, которые регламентируют содержание групп компонентов (высшие спирты, эфиры, альдегиды, летучие кислоты и др.), причем диапазон их концентрации настолько велик, что не определяет однозначно качество спирта.

Анализ информации и накопленного экспериментального опыта показывает, что для получения яблочного спирта с высокими органолептическими показателями необходимо обеспечить в нем содержание 180-350 мг/100 мл а. а. высших спиртов, 150-250 мг/100 мл а. а средних эфиров, не более 10 мг/100 мл а. а. альдегидов. Желательно, чтобы соотношение количества высших спиртов и средних эфиров было близким к единице.

Яблочный спирт с такими параметрами обладает гармоничным мягким вкусом и характерным сортовым ароматом, который имеет широкую гамму и зависит от содержания различных индивидуальных компонентов. Химический состав получаемого спирта определяют 2 основных фактора: качество сырья и способ его перегонки.

Состав сырья в значительной степени зависит от вегетативных условий его произрастания, процессов уборки и первичной обработки, в частности, сбраживания и последующего хранения. В отличие от виноградных виноматериалов яблочные сброженные соки обладают низким содержанием этилового спирта (5-6 %об.), повышенным содержанием метилового и некоторых высших спиртов, высокой кислотностью. Содержащаяся в значительном количестве яблочная кислота интенсивно разрушает части аппаратов, изготовленные из меди.

Для производства яблочного спирта в настоящее время широко используют периодически действующие кубовые установки типа КУ-500 для получения коньячного спирта [1]. При перегонке сырья на таких установках переход отдельных групп компонентов в дистиллят зависит прежде всего от содержания этилового спирта на верхних тарелках колонны: чем выше его концентрация, тем меньше летучих компонентов переходит в пар, а затем и в дистиллят. При крепости исходного яблочного сырья 5-6 %об. концентрация этилового спирта в дистилляте достигает 82-85 %об. и по мере уменьшения его содержания в кубе-испарителе доходит до нуля.

Процесс перегонки проводят с отбором головной, средней и хвостовой фракций. Получаемый яблочный спирт содержит большое количество высших спиртов (до 600 мг/100 мл а. а.) и малое количество высококипящих компонентов, таких как этилкаприлат, этиллауринат, этилформиат, этилпропионат, бутилацетат, этиллактат, р-фенилэтанол, тернеол, линалоол и др. Он имеет относительно низкую крепость (62-64 %об.), во вкусе и аромате проявляются сивушные тона и жгучесть. При этом режиме побочные фракции достигают значительной величины (головная - до 3 % а. а., хвостовая - до 20 % а. а), что в последующем приводит к повышению удельного расхода пара и себестоимости продукции.

Сивушные тона и жгучесть во вкусе снижаются при увеличении отбираемой хвостовой фракции (до 30 % а. а.) или флегмового числа (в 1,5-2 раза), что повышает крепость дистиллята и приводит к росту общего времени перегонки, снижению выхода готовой продукции и рентабельности процесса.

Для улучшения качества яблочного спирта в условиях АПК «Пищевик» (п. Садовод, Краснодарского края) было предложено:

увеличить число тарелок в установке КУ-500 в 2 раза (то есть вместо 4 установить 8 тарелок); предусмотреть задержку флегмы в колонне для концентрирования головных примесей и проведение термообработки спирта в самой колонке.

Это позволило увеличить концентрацию этилового спирта в дистилляте в начальный момент до 90-94 %об., снизить в получаемом продукте содержание высших спиртов до 300-400 мг/100 мл а. а., летучих кислот до 50-70 мг/100 мл а. а. и отбор головной и хвостовой фракции соответственно до 0,5-1,5 и 3,5-5,0 % а. а. Установка стала работать при меньших флегмовых числах, что повысило ее производительность до 100 дал а. а./сутки и снизило расход пара.

Позже установка была модернизирована и названа ПУ-2-500. Однако ее производительность и себестоимость получаемой на ней продукции оставались на относительно низком уровне.

Не дает ожидаемого эффекта и непрерывно действующая установка К-5М, что прежде всего связано с ее конструктивными особенностями и технологическими недостатками [1]. Она не обеспечивает получение продукта требуемого состава, так как предусматривает эпюрацию исходного сырья в колонке, имеющей 7 одноколпачковых тарелок, с использованием острого пара. Концентрация головных компонентов во фракции низкая, что заставляет увеличить ее отбор до 5 % а. а. Получаемый яблочный спирт содержит повышенное количество высших спиртов (до 600 мг/100 мл а. а.) и метанола, обладает резкими тонами сырца в букете и жгучестью во вкусе.

Согласно проведенным ранее исследованиям, наиболее ценные для обеспечения качества продукта компоненты имеют тенденцию накапливаться во флегме, то есть используемые в установке дефлегматоры являются для них своеобразными фильтрами [2]. Отсутствие укрепляющей части в перегонной колонне установки К-5М затрудняет регулирование режима ее работы и получение заданной концентрации продукта, заставляет вести процесс при повышенных флегмовых числах. Определенную роль при задержке и накоплении ценных примесей играют и кол-пачковые тарельчатые контактные устройства. Все эти недостатки установки К-5М не позволяют эффективно использовать ее для получения яблочного спирта.

Разработанная для этой цели установка ВАНД-02 представляет перегонную колонну, внутри которой поэтажно закреплены вихревые контактные устройства с переточными конусами, позволяющими жидкости двигаться от боковой поверхности корпуса колонны в центр и распыляться в паровом потоке (патент РФ № 000). Узел отбора головной фракции снабжен на-садочной колонкой и дополнительным дефлегматором. Отбор в количестве 1,0-1,7 % а. а. осуществляют непосредственно из спиртового парового потока, уходящего из дефлегматора перегонной колонны, минуя стадию производства спирта-сырца.

Производительность установки зависит от концентрации спирта в сырье и составляет 550-900 дал а. а. в сутки. Особенности ВАНД-02 позволили регулировать состав яблочных спиртов за счет увеличения их крепости до 80 %об. путем изменения высоты укрепляющей части колонны и значения флегмового числа. Установлено, что при этом в получаемом продукте на 40 % уменьшается содержание летучих кислот, на 15 % средних эфиров и на 40 % количество высших спиртов. Яблочные спирты обладают гармоничным сортовым яблочным ароматом. Снижение крепости спирта ниже 65 % приводит к появлению во вкусе тонов сырца и хвостовых оттенков, что ухудшает органолептическую оценку продукта.

Установлено, что в процессе производства яблочных спиртов следует стремиться обеспечить 68-80 %об. этилового спирта, не более 50 мг/100 мл а. а. летучих кислот и не более 350 мг/100 мл а. а. высших спиртов. Если яблочные сброженные спирты имеют около 5,0-5,5 %об. спирта, то из них целесообразно производить спирт крепостью 75-80 %об. Повышение крепости позволяет устранить тона сырца как во вкусе, так и в аромате готового продукта. Такие спирты обладают гармоничным сладковатым вкусом и сбалансированным ароматом. Как показывает практика, из них можно получать высококачественные кальвадосы или бренди.

Проведенные обследования действующих в виноделии перегонных установок позволили уточнить принципы конструирования установки для производства плодовых спиртов. Такие установки должны обеспечить ряд требований:

по высоте перегонной колонны нельзя допускать зон скопления взвесей и концентрирования летучих компонентов. Для этого в качестве контактных устройств можно использовать пленочные вихревые устройства с одновременным подводом тепла глухого пара по высоте корпуса колонны;

укрепляющая часть перегонной колонны должна позволять изменять разделяющую способность, например, за счет изменения в ней количества контактных устройств. Дефлегматоры колонны должны обладать большей разделяющей способностью и не отфильтровывать во флегму полезные компоненты. Головную фракцию рационально отбирать непосредственно из спиртового парового потока.

Все эти принципы были использованы при разработке универсальной перегонной установки модели ДА-01, обладающей рядом конструктивных и технологических особенностей (см. рисунок). Она включает питательный насос 1, подогреватель сырья 2, перегонную вихревую колонну 7- 4, вихревые дефлегматоры 3,8и 12, эпюрационную колонку 11, холодильник 13, холодильник спирта 15, конденсатор-холодильник паровоздушных потоков 14, вентили 5, 6, 9 и 10.

Колонна состоит из исчерпывающей 7и укрепляющей 4 частей. Внутри ее корпуса на вертикальной трубе поэтажно закреплены лопаточные завихрители, между которыми установлены тангенциальные пластины. Средняя рабочая скорость расхода пара в таких вихревых устройствах составляет около 2,5-4,8 м/с, что обеспечивает устойчивое пленочное движение жидкости. Исчерпывающая часть колонны снабжена рубашками для подвода тепла глухого пара. Конструкция вихревых устройств и способ взаимодействия фаз защищены патентами РФ № 000 и 1261683.

В зависимости от содержания спирта в исходном сырье питание в колонну подается через верхний или нижний вентили (5или 6), что позволяет менять количество вихревых контактных устройств в исчерпывающей части (соответственно 4 и 77).

Дефлегматоры 3, 8 и 12 выполнены вихревыми: патрубок подвода пара расположен тангенциально к корпусу аппарата и создает вращательное движение пара и равномерное омывание им периферийных трубок пучка, через который пар движется перпендикулярно и через второй патрубок выводится из центра пучка. Такое движение пара в дефлегматоре исключает байпас, позволяет сохранить высокую скорость и турбулизацию пара. Уменьшается переохлаждение пленки конденсата. Интенсивность тепломассопередачи в вихревом дефлегматоре в 1,5-1,8 раза выше, чем в стандартном. Конструкция дефлегматора защищена патентом РФ № 000.

Для отбора головной фракции непосредственно из спиртового парового потока установка снабжена насадочной эпюрационной колонкой 11 и вихревым дефлегматором 12.

В этих условиях особые требования предъявляются к контактным устройствам. Средняя скорость расхода пара в колонне увеличивается снизу вверх в значительных пределах (от 0,5 до 5,0 м/с), поэтому контактная установка должна обладать широким устойчивым диапазоном работы по паровой и жидкой фазам. Анализ конструкции установки показал, что таким требованиям наиболее соответствуют вихревые контактные установки с дополнительными отжимными пластинами. Специальные исследования, проведенные для выбора конкретной установки, подтвердили их наибольшую эффективность и работоспособность в широком диапазоне скоростей пара по сравнению с другими контактными устройствами [4]. Они обеспечивают создание устойчивой вращающейся пленки при различных нагрузках по пару и жидкости, причем при нагрузке по жидкости в пределах от 1500 до 3500 кг/ч максимальная скорость пара практически не меняется и достигает 5,4 м/с при уносе жидкости не более 5 % ее общего расхода.

Установка ДА-01 спроектирована с учетом средней сырьевой базы предприятий, минимальной металлоемкости и рассчитана на производительность 200-250 дал сырья за 1 ч в среднем. Диаметр корпуса колонны 4 составляет 250 мм, а эпюрационной колонки 11 - 200 мм, поверхность теплопередачи дефлегматоров 3,8,12 равна 10,0 м2. На Тирас-польском машиностроительном заводе «Точмаш» (Молдова) в 1992 году изготовили 2 опытных образца, которые успешно работают на Волгоградском (Россия) и Фалештском (Молдова) винзаводах.

Рабочие испытания показали работоспособность установки ДА-01 и ее соответствие технологическому назначению при получении яблочного спирта. Устойчивый диапазон нагрузок по жидкости достигается от 150 до 250 дал/ч при крепости 5,0-6,5 %об. исходного спирта. Концентрацию спирта в дистилляте можно регулировать, согласно требованиям ГОСТ (62-80 %об.) в зависимости от выбранного режима работы и химического состава сырья. Узел отбора позволяет целенаправленно изменять состав получаемого спирта, удалять из него диоксид серы и головные примеси в заданном количестве.

Полученный яблочный спирт, обладая гармоничным ароматом с ярко выраженными сортовыми яблочными тонами, мягким вкусом без постороннего привкуса, соответствовал требованиям ТУ 255. «Спирт яблочный молодой».

Во время испытаний изучали влияние подвода тепла в паровые рубашки по высоте колонны на ее производительность, разделяющую способность и качественные показатели спирта (см. табл.1)

Таблица.1.

Компоненты яблочного спирта	Содержание компонентов спирта, полученного по высоте колонны
без подвода тепла в режиме	с подводом тепла в режиме
1	2	3	4
Спирт этиловый, %об.	68,1	66,2	68,5	69,4
Средние эфиры, мг/100 мл а. а.	230,0	244,0	268,0	256,0
Высшие спирты, мг/100 мл а. а.	320,0	340,0	330,0	310,0
Альдегиды, мг/100 мл а. а.	15,2	16,7	14,6	14,8
Этилкаприлат, мг/100 мл а. а.	17,2	15,1	23,8	24,5
Этиллауринат, мг/100 мл а. а.	2,9	2,2	3,6	3,4
Этилкапринат, мг/100 мл а. а.	1,7	1,6	2,4	2,6
Дегустационная оценка, балл	7,5	7,4	7,7	7,7

Анализ полученных результатов показывает, что при подводе тепла по высоте колонны вырабатываемый яблочный спирт отличается более высоким содержанием ценных компонентов и соответственно более высокой дегустационной оценкой.

Подвод тепла по высоте колонны в сочетании с вихревым пленочным движением сырья позволяет создать условия испарения компонентов, близкие к условиям однократного испарения и направленно изменять температурный профиль по высоте. За счет этого изменяются теплообменные характеристики контактных устройств и сдвигается равновесие системы в сторону увеличения перехода в пар ценных высококипящих компонентов. В табл.2 приведены сравнительные данные по химическому составу яблочных спиртов, полученных на разных установках.

Анализ этих данных позволяет утверждать, что спирты, произведенные в аппаратах с использованием вихревого течения фаз (ВАНД-02 и ДА-01), содержат больше средних эфиров, меньше SO2, обладают гармоничным мягким вкусом и развитым сортовым ароматом, имеют высокие дегустационные оценки.

Установки ДА-01 успешно эксплуатируются на заводах Молдовы и России в течение 6 лет, обеспечивая получение яблочных спиртов для приготовления высококачественных кальвадосов и бренди. Поданным производственного опыта, эти установки также можно использовать для получения коньячных спиртов и перегонки вторичного винодельческого сырья на спирт-сырец.

Техническая документация на изготовление ДА-01 передана Тамбовскому машиностроительному заводу «Комсомолец», где начали ее серийный выпуск. На базе полученных нами данных эта установка модернизирована (ее производительность увеличена до 500-700 дал а. а. в сутки) и документация на ее изготовление передана Краснодарскому машиностроительному заводу -92».

Дополнительную информацию по оборудованию для производства яблочного спирта можно получить по тел. (86

ЛИТЕРАТУРА

Малтабар В.М., Фертман Г.И. Технология коньяка /М.: Пищевая промышленность. -1971. Любченков П.П., Рябченко Н.П., Иразиха-нов А.С., Мишиев П.Я. Модернизация коньячной установки К-5М //Садоводство, виноградарство и виноделие Молдавии. -1992, №2. - С.25-27. Любченков П.П., Рябченко Н.П., Олару К.Н. Результаты испытаний коньячной вихревой установки ВАНД-02//Садоводство, виноградарство и виноделие Молдавии. -1990, №4. - С.24-25. Любченков П.П., Рябченко Н.П. Гидродинамические характеристики контактных устройств вихревого типа // Совершенствование процессов пищевой промышленности. Технология и процессы пищевых производств. -4.1. - Краснодар: Куб. ГТУ. -1997. - С.54-58.